全 文 ：植物生理学通讯 第46卷 第12期, 2010年12月 1243
收稿 2010-09-19 修定 　2010-10-25
资助 南京农业大学大学生创新训练计划项目(0906A02)。
* 通讯作者(E-mail: qianmeng@njau.edu.cn; Tel: 025-84396524)。
外源GSH 对海州香薷铜毒害的缓解作用
钱猛 1,*, 朱昌华 2
南京农业大学1生命科学学院, 2生物学实验教学中心, 南京210095
提要: 采用溶液培养的方法, 研究了外源GSH对海州香薷铜毒害的缓解作用。结果表明, 100 mmol·L-1 Cu 处理6天可以抑制
海州香薷根系伸长生长, 降低叶片中叶绿体色素含量, 增加植株中膜脂过氧化物丙二醛(MDA)的含量。100 mmol·L-1 Cu 处
理下施加 GSH 可以缓解 Cu 对海州香薷的毒害作用, 促进根系伸长生长, 增加生物量, 提高叶绿体色素含量, 降低 MDA 含
量, 减少植株中 Cu 含量。
关键词: 还原型谷胱甘肽; 铜; 海州香薷
Alleviation of Glutathione on Copper Toxicity of Elsholtzia haichowensis Sun
QIAN Meng1,*, ZHU Chang-Hua2
1Experiment Center of Biology Teaching, 2College of Life Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
Abstract: Seedlings of Elsholtzia haichowensis were cultured hydroponically. Physiological responses of Elsholtzia
haichowensis to excess copper (Cu) were investigated and the alleviation of glutathion (GSH) on Cu toxicity of
Elsholtzia haichowensis were studied. Treatments with 100 mmol·L-1 Cu for 6 days decreased the elongation of
roots and the chlorophyll and carotenoid content of leaves, increased malondialdehyde (MDA) concentration in
Elsholtzia haichowensis. Exogenous GSH induced elongation of roots, increased biomass and chlorophyll content
in leaves, decreased MDA concentration and Cu content in Elsholtzia haichowensis treated with 100 mmol·L-1 Cu.
Key words: glutathion; copper; Elsholtzia haichowensis
铜是植物正常生命活动所必需的微量营养元
素(Sommer 1931; Lipman和McKinney 1931), 广泛
参与各种生命活动。但适合植物生长的土壤铜含
量范围很窄, 稍微过量便会影响细胞代谢和离子平
衡, 对植物产生毒害作用(Demidchik 等 1997)。
GSH 是植物体内存在的一种与重金属耐性有重要
作用的巯基化合物。大量研究证明, GSH 和半胱
氨酸(Cys)等小分子巯基化合物的存在可以减轻重
金属对细胞的伤害, 以缓解重金属毒害(Tripathi等
1996; Glaeser等1991)。GSH具有亲核特性, 能在
谷胱甘肽巯基转移酶(glutathion S-transterase, GST)
的催化下与进入细胞的异源物质、金属及它们的
代谢产物结合, 起到解毒效应(Mendoza-Cózatl等
2005)。Howden等(1995)对拟南芥cad1和cad2突
变体的研究表明细胞内的 GSH 和植物螯合肽合成
酶(phytochelatin systhase, PCS)水平与重金属耐受密
切相关。Singhal等(1987)提出在 PCS合成之前,
GSH 能迅速与进入细胞内的金属离子结合, 因此
GSH 可能是重金属胁迫的第一道防线。
有关GSH 缓解重金属镉胁迫已见报道。Kang
(1992)研究发现外源GSH能降低小鼠肾纤维原细胞
对镉的吸收。Corticeiro等(2006)研究表明外源
GSH能提高根瘤菌对镉的耐性, 对敏感基因型的效
果更为显著。但是, GSH 与铜之间作用的研究迄
今仍少见报道。本研究以海州香薷为材料, 探讨外
源GSH对铜毒害的缓解作用, 为治理铜污染提供理
论依据。
材料与方法
海州香薷(Elsholtzia haichowensis Sun)的种子
于2009 年 12 月采自安徽省铜陵铜官山及凤矿。
将海州香薷种子播于蛭石, 在室温下萌发, 待
幼苗长出后(播种后9 d), 选取长势良好且一致的幼
苗移植在含2 L Hoagland营养液的培养钵中生长,
每 2天更换一次营养液。并将pH 调至 5.3。幼苗
生长30 d 后按照表1进行处理。
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处理当天和处理后6 d测量根长; 处理6 d后
取样, 测量根系和地上部干重、Cu 和 MDA 含量,
测定叶片内叶绿体色素含量。
铜含量的测定用HNO3-HClO4 (V:V=87:13)混合
液消煮法(Zhao等1994), TAS-986火焰原子吸收分
光光度计(AAS)测定铜含量。丙二醛含量的测定
参照李合生(2000)的方法, 按C (mmol·L-1)=6.45
(A532-A600)-0.56A450 计算 MDA 含量。叶绿素含量
的测定参照李合生(2000)方法, 按丙酮法计算叶绿
体色素含量。
采用 SPSS16.0 软件统计差异显著性。
实验结果
1 外源 GSH 对过量 Cu 处理下的海州香薷生长的
影响
100 mmol·L-1 Cu处理下海州香薷的根系伸长
生长受到明显的抑制作用(P<0.05), 其伸长量仅为
对照的27%。而在100 mmol·L-1 Cu处理下, 加入
GSH对根系伸长生长无显著影响(P>0.05)(图 1)。
100 mmol·L-1 Cu处理下可以降低海州香薷地
上部和根系的干重, 分别下降到对照的 79% 和
69%。在 100 mmol·L-1 Cu 处理时施加一定浓度的
GSH 可显著增加根系和地上部干重(P<0.05)(图
2)。与100 mmol·L-1 Cu单独处理相比, 加入100
mg·L-1 GSH 时根系干重增长了44.8%; 加入20 mg·L-1
GSH时地上部干重增长了22%。而当加入50和100
mg·L-1 GSH 时地上部干重可与对照水平持平。
表1 处理方法
Table 1 Treatment methods
处理名称 处理方法
C K Hoagland营养液
Cu 100 mmol·L-1Cu
Cu+5GSH 5 mg·L-1 GSH+100 mmol·L-1 Cu
Cu+20GSH 20 mg·L-1 GSH+100 mmol·L-1 Cu
Cu+50GSH 50 mg·L-1 GSH+100 mmol·L-1 Cu
Cu+100GSH 100 mg·L-1 GSH+100 mmol·L-1 Cu
图1 外源GSH对Cu处理下海州香薷根系伸长的影响
Fig.1 Effect of exogenous GSH on roots elongation of Cu
treated Elsholtzia haichowensis
图中不同的小写字母表示在0.05 水平有显著差异, 下图同。
图2 外源GSH对Cu处理下海州香薷地上部
和根系干重的影响
Fig.2 Effect of exogenous GSH on dry weight in shoots and
roots of Cu treated Elsholtzia haichowensis
2 叶绿体色素含量
100 mmol·L-1 Cu单独处理下可以显著降低海
州香薷叶片内各类叶绿体色素含量(P<0.05), 叶绿
素 a、叶绿素 b、类胡萝卜素的含量分别下降到
对照的 60%、61%、65%。在 100 mmol·L-1 Cu
处理下, 当加入的外源GSH浓度不低于50 mg·L-1
时则可以显著增加叶片内各类叶绿体色素含量(P<
0.05), 且当为50 mg·L-1时叶绿素a、叶绿素b、类
胡萝卜素的含量分别比100 mmol·L-1 Cu单独处理
时增加了62.5%、61.8%、51.6%, 并与对照水平
基本持平(表 2)。
3 MDA 含量
100 mmol·L-1 Cu单独处理下可以显著增加海州
香薷根系中MDA含量, 是对照的9.37倍, 而对叶
片中 MDA 含量无影响。与 Cu 单独处理相比, Cu
和 GSH 复合处理对海州香薷叶片和根系内 MDA 含
量无显著影响(P>0.05)(图3)。
4 外源 GSH 对过量 Cu 处理下的海州香薷 Cu 含
量的影响
100 mmol·L-1 Cu处理下可以显著增加海州香
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薷地上部和根系中Cu含量(P<0.05), 分别是对照的
6.35倍和113.12倍。与单独Cu处理相比, 当外源
GSH浓度为 20 mg·L-1 及以上时则可以显著降低地
上部和根系中Cu含量(P<0.05), 且浓度为20 mg·L-1
分别降低了62.2%和33.8%; 当外源GSH浓度达到
100 mg·L-1 时地上部 Cu含量则下降到对照水平一
下, 仅为对照的63.2% (图4)。
讨　　论
Monni等(2000)研究表明, 当培养液中铜浓度
大于22 mg·L-1时, 岩高兰根系生长量仅为对照的
1%~4%。铜还能抑制绿豆幼苗的生长, 其中上胚
轴的生长受抑制最严重, 当Cu浓度为10 mmol·L-1
和50 mmol·L-1时, 上胚轴长度分别为对照的75%和
48%, 鲜重为对照的63%和 31%。用5~50 mmol·L-1
铜处理绿豆幼苗时, 随着铜浓度的增加, 植株鲜重
和根长均下降(Shen等1998)。而从本实验结果看,
Cu浓度为100 mmol·L-1时, 铜对海州香薷的毒害表
现在抑制根系伸长、幼苗生长受阻、增加生物膜透
性、抑制叶绿体色素合成, 这些与De Vos等(1991)、
Ouzounidou (1994)、Branquinho等(1997)、姚益
云等(1997)等的研究结果是一致的。
大量研究表明, 施加外源GSH可减少Cd吸收
和积累、缓解Cd的毒害症状 (Kang和Enger 1987;
Ochi 等 1988)。刘传平等(2004)研究表明, 50
mmol·L-1 Cd处理下施加20 mg·L-1外源GSH可以明
显的缓解青菜的Cd毒害症状。我们的实验结果表
明, 100 mmol·L-1 Cu处理下施加外源GSH可以明显
降低根系和地上部Cu含量, 从而明显缓解了海州
香薷的Cu毒害症状, 根系伸长生长受抑制减轻, 根
系和地上部的鲜重和干重增加, 叶片内叶绿体色素
含量上升, 根系和叶片内 MDA 含量下降。以上结
果表明, GSH在抵御过量Cu毒害中有着非常重要
的作用。另外, 外源 GSH 还抑制海州香薷根系中
的Cu向地上部运输, 并且在低浓度GSH (20 mg·L-1)
下就可以显著增加地上部干重。这些表明 GSH 对
Cu 毒害的缓解作用与GSH 降低植株对Cu 的吸收、
图3 外源GSH对Cu处理下海州香薷丙二醛含量的影响
Fig.3 Effect of exogenous GSH on MDA content of Cu
treated Elsholtzia haichowensis
图4 外源GSH对Cu处理下海州香薷地上部(A)和根系(B)
Cu含量的影响
Fig.4 Effect of exogenous GSH on Cu content in shoots (A)
and roots (B) of Cu treated Elsholtzia haichowensis
表 2 外源 GSH对 Cu处理下海州香薷叶片内叶
绿体色素含量的影响
Table 2 Effect of exogenous GSH on pigment content in
leaves of Cu treated Elsholtzia haichowensis
含量/mg·g-1 (FW)
处理
叶绿素a 叶绿素b 类胡萝卜素
C K 2.55±0.12a 0.93±0.04a 0.90±0.04a
Cu 1.53±0.12b 0.57±0.04b 0.58±0.04b
Cu+5GSH 1.47±0.07b 0.53±0.03b 0.55±0.02b
Cu+20GSH 1.41±0.14b 0.51±0.05b 0.53±0.04b
Cu+50GSH 2.48±0.23a 0.93±0.09a 0.88±0.07a
Cu+100GSH 2.36±0.09a 0.88±0.02a 0.84±0.02a
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转移有关, 且 GSH对地上部Cu毒害的缓解作用要
大于根系的。Freedman等(1989)和Lima等(2006)
研究表明, GSH可以与金属离子螯合从而降低金属
毒性。本实验研究表明外源 GSH 可显著降低植株
中Cu的积累, 但是GSH是在体外直接和Cu结合而
降低了植株对Cu的吸收还是GSH直接被根系吸收
而在体内产生作用机理还需要进一步的研究。
另外, GSH 也是植物螯合肽(phytochelatin
systhase, PCs)合成的直接前体, PCs是一种多肽物
质, 可以和重金属螯合形成无毒化合物, 并将其运
输至液泡中贮存(Hall 2002)。因此, 外源GSH缓
解 Cu 毒害的机制之一可能是外源 GSH 促进根系
PCs的合成, 增加与Cu的螯合, 从而降低了Cu的
毒害作用。但外源 GSH 是否会影响 Cu 胁迫下植
物体内 PCs 的合成还需要进一步的研究。
Rousos和Harrison (1987)研究表明, 由于Cu
局部累积过量, 其与植物叶绿体中蛋白质功能基团-
SH 结合或取代其中的 Fe2+、Zn2+、Mg2+ 等离子,
致使叶绿素蛋白中心离子组成发生变化而失活, 从
而使叶绿素含量降低。因此, 施加外源GSH后, 光
合能力的提高可能是由于GSH降低了Cu与叶绿体
中蛋白质功能基团-SH结合或对其中的Fe2+、Zn2+、
Mg2+等离子的取代, 从而保证了光合电子传递链中
的酶的活性及叶绿体色素的合成。
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